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Acoustique et optique pour les nanosciences et le quantique – Magnéto-acoustique


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  • Membres permanents : Jean-Yves Duquesne, Pauline Rovillain

La magnéto-striction, c’est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation, offre un moyen original de contrôle des propriétés magnétiques. Ainsi, nous utilisons des ondes acoustiques de surface (ondes de Rayleigh) pour agir dynamiquement sur des couches minces magnétiques déposées et manipuler leurs propriétés magnétiques : effet magnéto-calorique, aimantation, ondes de spin, courant de spin…

 

Ondes de surface 

L’onde de Rayleigh est un mode élastique propagatif localisé à la surface d’un objet et dont la profondeur de pénétration est de l’ordre d’une longueur d’onde. Nous l’excitons et la détectons électriquement grâce à des transducteurs lithographiés sur un matériau piézoélectrique (GaAs, LiNbO3, ZnO…). Ces transducteurs se présentent sous forme de deux réseaux de traits interdigités (voir figure 1). Éventuellement, les dents sont divisées pour favoriser le fonctionnement sur les harmoniques. La gamme de fréquences accessibles est actuellement 0,1 à 5 GHz.

 

figure

Figure 1 : (a) Principe de l’excitation/détection d’ondes de Rayleigh. (b) Réponse à une excitation en train d’onde. (c) Image électronique d’un peigne interdigité.

Deux techniques de mesure de l’amplitude absolue des ondes de surface ont été développées, en collaboration avec B. Croset (équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces), L. Thevenard, C. Gourdon (équipe Nanostructures et systèmes quantiques »), L. Largeau (C2N) et I. Camara (post-doc) :

  • mesure par diffraction des rayons X ;
  • mesure électrique des paramètres Sij du quadripôle acoustique.

 

Spin pumping acoustique 

A l’interface entre un métal ferromagnétique et un métal normal, la précession de l’aimantation engendre un courant de spin dans le métal normal. Cet effet est amplifié à la résonance. Nous étudions l’émission de courant lorsque la résonance est excitée par une onde acoustique de surface.

Figure 2 : (a) Dispositif (b) Emission d’un courant dans la plage de temps où le train d’onde acoustique traverse le bi-couche Metal normal / Metal ferromagnétique.

 

Couplage magnétoélastique résonnant dans Fe 

Les couches minces de Fe sont épitaxiées sur un substrat de GaAs au sein même du laboratoire. Sa très haute qualité cristalline nous permet de connaître parfaitement ses axes cristallographiques et donc son orientation et ses caractéristiques magnétiques. Nous mesurons les variations de vitesse et d’atténuation des ondes de surface, en régime résonnant, en fonction du champ magnétique appliqué et de l’angle entre celui-ci et le vecteur d’onde. Nous avons montré la grande sensibilité angulaire des conditions de résonance, alignement du champ magnétique avec l’axe [110] du Fe.

Figure 3 : Atténuation des ondes de Rayleigh (ondes acoustiques de surface) en fonction du champ magnétique. Observation d’une grande sensibilité angulaire, perte de la résonance à 0,1° près.

 

Magnéto-striction dynamique dans FeGa 

Fe1-xGax est un matériau présentant une très forte magnéto-striction. Nous mesurons les variations de vitesse et d’atténuation des ondes de surface, en régime non-résonnant, en fonction du champ magnétique appliqué et de l’angle entre celui-ci et le vecteur d’onde. L’interprétation, dans le cadre de différents modèles, est en cours et pourrait donner accès à des valeurs précises des coefficients magnéto-strictifs.

Figure 4 : Aimantation et vitesse du son dans Fe80Ga20 (a) : 100 nm (structure magnétique avec stripes). (b) 55 nm (structure magnétique sans stripes).

 

Effet magnétocalorique dans MnAs 

MnAs est un matériau ferromagnétique qui possède des propriétés magnéto-caloriques* extrêmement fortes (*changement de température sous champ en condition adiabatique, ou variation d’entropie en condition isotherme). Nous avons montré que cet effet pouvait être déclenché dynamiquement par des ondes de Rayleigh, dans des couches minces (100nm) épitaxiées sur GaAs(001). Il se manifeste par de très fortes variations de l’atténuation et de la vitesse ultrasonore (figures 2). Ce travail a donné lieu au dépôt d’un brevet de thermomètre ultra-sensible.

Figure 5 : Atténuation et vitesse des ondes de Rayleigh dans MnAs/GaAs(100), en fonction de la fréquence, de la température et du champ magnétique.Renversement de l’aimantation dans GaMnAsP.

 

Renversement de l’aimantation dans GaMnAsP 

(Ga1-xMnx)(As1-yPy) est un semi-conducteur, ferromagnétique au-dessous de 110K. Ses propriétés magnétiques peuvent être modifiées en jouant sur la composition en manganèse et phosphore. Sur des composés à aimantation planaire ou perpendiculaire, une onde acoustique de surface peut induire :

  • l’excitation de la résonance ferromagnétique, en régime linéaire et non-linéaire.
  • le retournement de l’aimantation, dans un processus de précession de grand angle

Un microscope Kerr couplé à un montage acoustique permet de visualiser le retournement permanent de l’aimantation, en fin d’excitation non-linéaire (figure 3a). Le régime non-linéaire est aussi clairement observé sur le comportement de l’onde acoustique (figure 3b)

Figure 6 : Retournement de l’aimantation, induit par une onde acoustique de surface. (a) Visualisation en imagerie Kerr. (b) comportement non-linéaire de l’atténuation acoustique. P0 désigne la puissance acoustique.

 

Principales collaborations

 

Publications récentes

  • M. Kraimia, P. Kuszewski, J.-Y. Duquesne, A. Lemaître , F. Margaillan, C. Gourdon, and L. Thevenard, Time- and space-resolved nonlinear magnetoacoustic dynamics, Phys. Rev. B 101, 144425 (2020) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02550724
  • Delsing, P; Cleland, AN; Schuetz, MJA et al.,The 2019 surface acoustic waves roadmap,JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS 52 :53001 (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02184393
  • J.-Y. Duquesne , P. Rovillain, C. Hepburn, M. Eddrief, P. Atkinson, A. Anane, R. Ranchal, and M. Marangolo, Surface-Acoustic-Wave Induced Ferromagnetic Resonance in Fe Thin Films and Magnetic Field Sensing, Phys. Rev. Applied 12 :024042 (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02271517
  • I.S. Camara, J.-Y. Duquesne, A. Lemaître, C. Gourdon, and L. Thevenard, Field-Free Magnetization Switching by an Acoustic Wave, Phys. Rev. Applied 11 :014045 (2019) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-02187172
  • J-Y Duquesne , C Hepburn, P Rovillain and M Marangolo, Magnetocrystalline and magnetoelastic constants determined by magnetization dynamics under static strain, Phys.: Condens. Matter 30 :394002 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01871096
  • P. Kuszewski, J.-Y. Duquesne, L. Becerra, A. Lemaître, S. Vincent, S. Majrab, F. Margaillan, C. Gourdon, and L. Thevenard, Optical Probing of Rayleigh Wave Driven Magnetoacoustic Resonance, Phys. Rev. Applied 10 :034036 (2018) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01944664
  • P. Kuszewski, I.S. Camara, N. Biarrotte, L. Becerra, J. von Bardeleben, W. S.  Torres, A. Lemaitre, C. Gourdon, J.-Y.  Duquesne, L. Thevenard, Resonant magneto-acoustic switching: influence of Rayleigh wave frequency and wavevector‎, J of Physics – Cond. Matter 30:244003 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01812621
  • I.S. Camara, B. Croset, L. Largeau, P. Rovillain, L. Thevenard and J.-Y. Duquesne, Vector network analyzer measurement of the amplitude of an electrically excited surface acoustic wave and validation by X-ray diffraction, J. Appl. Phys., 121:044503 (2017) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01492868
  • L. Largeau, I. Camara, J.-Y. Duquesne, C. Gourdon, P. Rovillain, L. Thevenard and B. Croset, Laboratory X-ray characterization of a surface acoustic wave on GaAs: critical role of the instrumental convolution, J.Applied Crystallography, 49:2073 (2016) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01363432v1
  • L. Thevenard, I.S. Camara, S. Majrab, M. Bernard, P. Rovillain, A. Lemaître, C. Gourdon and J.-Y. Duquesne, Precessional magnetization switching by a surface acoustic wave, Phys. Rev. B, 93:134430 (2016) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01438602
  • L. Thevenard, I.S. Camara, J.-Y. Prieur, P. Rovillain, A. Lemaître, C. Gourdon and J.-Y. Duquesne, Strong reduction of the coercivity by a surface acoustic wave in an out-of-plane magnetized epilayer, Phys. Rev. B (Rapid Comm.), 93:140405(R), (2016) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01438587
  • L. Thevenard, C. Gourdon, J.-Y. Prieur, H. J. von Bardeleben, S. Vincent, L. Becerra, L. Largeau, and J.-Y. Duquesne, Surface-acoustic-wave-driven ferromagnetic resonance in (Ga,Mn)(As,P) epilayers, Phys. Rev. B, 90:094401 (2014) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01323921
  • M. Marangolo, W. Karboul-Trojet, J.-Y. Prieur, V.H. Etgens, M. Eddrief, L. Becerra, and J.-Y. Duquesne, Surface acoustic wave triggering of giant magnetocaloric effect in MnAs/GaAs devices, Appl. Phys. Lett., 105:162403 (2014) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01900335
  • L. Thevenard, J.-Y. Duquesne, E. Peronne, H. J. von Bardeleben, H. Jaffres, Ruttala, J.-M. George, A. Lemaître, and C. Gourdon, Irreversible magnetization switching using surface acoustic waves, Phys. Rev. B, 87:144402 (2013) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01324037
  • J.-Y. Duquesne, J.-Y. Prieur, J. Agudo Canalejo, V. H. Etgens, M. Eddrief, and A. L. Ferreira, Ultrasonic triggering of giant magnetocaloric effect in MnAs thin films, Phys. Rev. B, 86:035207 (2012) https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.86.035207

 

Brevet

  • Thermomètre ultrasensible, interrogeable à distance. « Dispositif piezoélectrique » – M. Marangolo, J.-Y. Duquesne, V.H. Etgens, J,-Y. Prieur, M. Eddrief – CNRS / Université Paris 6, Brevet international N°PCT/FR2012/051535 du 03 juillet 2012, Issue de la priorité : FR 11 55988 – 04/07/2011